CN109100330A - 光学元件高反射率测量系统和测量方法 - Google Patents

光学元件高反射率测量系统和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种光学元件高反射率测量系统和测量方法，系统包括激光光源、光电探测器、示波器、信号发生器、第一光纤、光纤隔离器、第二光纤、第三光纤、第一光纤耦合器、第四光纤、样品台、第一姿态调节机构、第二姿态调节机构、第五光纤、第二光纤耦合器和第六光纤，与现有普遍采用的基于高反射镜构成的谐振腔高反射率测量技术相比，本发明的测量灵敏度提高1000多倍，测量系统具有结构紧凑、布局灵活、抗干扰能力强、测量简便的特点。

Description

光学元件高反射率测量系统和测量方法
技术领域
本发明涉及高反射率的测量领域，特别是一种光学元件高反射率测量系统和测量方法。
背景技术
具有极高反射率(高于99.9％)的反射镜在引力波观测、激光陀螺仪、高功率激光器等领域中有非常广泛的应用，在这些系统中，反射元件的反射率直接决定到了光学系统的一系列重要参数，因此高反射率的准确测量具有重要的意义[参见文献[1]A.Abramovici,W.E.Althouse,R.W.P.Drever,Y.Gursel,S.Kawamura,F.J.Raab,et al.,"Ligo-the Laser-Interferometer-Gravitational-Wave-Observatory,"Science,vol.256,pp.325-333,1992.[2]W.W.Chow,J.Geabanacloche,L.M.Pedrotti,V.E.Sanders,W.Schleich,and M.O.Scully,"The Ring Laser Gyro,"Reviews of Modern Physics,vol.57,pp.61-104,1985.]。
目前国际上普遍采用的测量高反射率的光路结构如图1所示，主要包括光源1、光阑2、前端腔镜3、后端腔镜4、光电探测器5、示波器6和信号发生器7[参见文献：[3]Y.Gongand B.C.Li,"High-reflectivity measurement with a broadband diode laser basedcavity ring-down technique,"Applied Physics B-Lasers and Optics,vol.88,pp.477-482,2007.[4]H.Y.Zu,B.C.Li,Y.L.Han,and L.F.Gao,"Combined cavity ring-down and spectrophotometry for measuring reflectance of optical lasercomponents,"Optics Express,vol.21,pp.26735-26741,2013.[5]B.C.Li,H.Cui,Y.L.Han,L.F.Gao,C.Guo,C.M.Gao,et al.,"Simultaneous determination of opticalloss,residual reflectance and transmittance of highly anti-reflectivecoatings with cavity ring down technique,"Optics Express,vol.22,pp.29135-29142,2014.[6]H.Cui,B.C.Li,Y.L.Han,J.Wang,C.M.Gao,and Y.F.Wang,"Extinctionmeasurement with open-path cavity ring-down technique of variable cavitylength,"Optics Express,vol.24,pp.13343-13350,2016.]。在测量过程中，基于如图1所示谐振腔，首先利用示波器测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，然后拟合得到衰荡时间因子τ0，其表达式为：
然后如图2所示，在光路中加入待测样品，再次利用示波器测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，然后拟合得到衰荡时间因子τ1，其表达式为：
根据公式(1)和(2)，即可计算出反射元件的反射率为：
这种方法可以成功的完成高反射率的测量，但是其存在以下几个缺点：
(1)系统的探测灵敏度较低。
公式(4)为系统最小可探测单元的计算公式[参见文献：7C.J.Wang,"Fiber LoopRingdown-a Time-Domain Sensing Technique for Multi-Function Fiber OpticSensor Platforms:Current Status and Design Perspectives,"Sensors,vol.9,pp.7595-7621,2009.]，式中m、为定值，可以看出系统的最小可探测单元与腔长L成反比关系，考虑到目前常见测量方法的谐振腔是由腔反射镜组成的，谐振腔的腔长一般在1米左右，因此最小可探测单元大，系统的探测灵敏度较低。
(2)由于谐振腔是由腔反射镜构成的，而腔反射镜需要精密装调后才可以正常工作，因此测量过程繁琐，并且系统的抗干扰能力差。
发明内容
为了解决现有高反射率测量方法中存在的问题，本发明提供一种光学元件高反射率测量系统和测量方法，本发明的测量灵敏度提高1000多倍，测量系统具有结构紧凑、布局灵活、测量简便的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学元件高反射率的测量系统，包括激光光源、光电探测器、示波器、信号发生器，其特点在于还有第一光纤、光纤隔离器、第二光纤、第三光纤、第一光纤耦合器、第四光纤、样品台、第一姿态调节机构、第二姿态调节机构、第五光纤、第二光纤耦合器和第六光纤，所述的样品台供待测的高反射光学元件设置，所述激光光源的输出端通过所述第一光纤与所述光纤隔离器的输入端相连接，所述光纤隔离器的输出端通过所述第二光纤与所述第一光纤耦合器的第一输入端相连，该第一光纤耦合器输出的激光经过所述第四光纤的传输后照射在所述的待测的高反射光学元件上，所述的高反射光学元件反射的激光经过所述第五光纤的传输后进入所述第二光纤耦合器的输入端，所述第二光纤耦合器的第一输出端与所述第一光纤耦合器的第二输入端相连接，所述的第二光纤耦合器的第二输出端与所述的光电探测器的输入端相连，所述的光电探测器的输出端与所述的示波器的第二输入端相连，所述的示波器的第一输入端与所述的信号发生器的第二输出端相连，所述的信号发生器的第一输出端与所述的激光光源的控制端相连,所述的第一光纤耦合器、第四光纤、第五光纤、第二光纤耦合器和第三光纤构成光纤环形谐振腔。
所述的第三光纤的长度大于1000米。
利用上述光学元件高反射率测量系统对光学元件高反射率的测量方法，包括以下步骤：
①在样品台上放置参考样品，参考样品的反射率为Rref，调节第一姿态调节机构和第二姿态调节机构，使激光经过样品的反射后在环形谐振腔中来回振荡，利用示波器测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，然后拟合得到衰荡时间因子τ0；
②在样品台上放置待测的高反射光学元件，再次利用示波器测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，拟合得到衰荡时间因子τ1；
③利用如下公式计算出待测的高反射光学元件的反射率：
式中，L为光纤环形谐振腔的长度，c为光速。
本发明的优点如下：
(1)与现有高反射率测量方法(谐振腔的腔长一般在1米左右)相比，本发明光纤环形谐振腔的腔长可以轻易做到1000多米，因而根据公式(4)可以看出，系统的最小可探测单元可降低1000多倍，也即探测灵敏度可以提高1000多倍。
(2)与现有高反射率测量方法(腔反射镜需要精密装调，测量过程繁琐，抗干扰能力差)相比，本发明光纤环形谐振腔安装快捷方便，抗干扰能力强。
附图说明
图1是现有测量高反射率的结构示意图；
图2是图1加入待测的高反射光学元件(8)后高反射率测量系统的布局图
图3是本发明高反射率测量系统的结构图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图3，图3是本发明高反射率测量系统的结构图。由图可见，本发明光学元件高反射率的测量系统，包括激光光源1、光电探测器5、示波器6、信号发生器7，还有第一光纤9、光纤隔离器10、第二光纤11、第三光纤12、第一光纤耦合器13、第四光纤14、样品台15、第一姿态调节机构16、第二姿态调节机构17、第五光纤18、第二光纤耦合器19、第六光纤20、所述的样品台15供待测的高反射光学元件8设置，所述激光光源1的输出端通过所述第一光纤9与所述光纤隔离器10的输入端相连接，所述光纤隔离器10的输出端通过所述第二光纤11与所述第一光纤耦合器13的第一输入端相连，该第一光纤耦合器13输出的激光经过所述第四光纤14的传输后照射在所述的待测的高反射光学元件8上，所述的高反射光学元件8反射的激光经过所述第五光纤18的传输后进入所述第二光纤耦合器19的输入端，所述第二光纤耦合器19的第一输出端与所述第一光纤耦合器13的第二输入端相连接，所述的第二光纤耦合器19的第二输出端与所述的光电探测器5的输入端相连，所述的光电探测器5的输出端与所述的示波器6的第二输入端相连，所述的示波器6的第一输入端与所述的信号发生器7的第二输出端相连，所述的信号发生器7的第一输出端与所述的激光光源1的控制端相连，所述的第一光纤耦合器13、第四光纤14、第五光纤18、第二光纤耦合器19和第三光纤12构成光纤环形谐振腔。
实施例1：
图中，1为半导体激光器(美国Newport有限公司，LQA1064-150E)，5为高速光电探测器(美国Newport有限公司，125-MHz Photoreceivers Models 1811)，6为示波器(美国Tektronix有限公司，DPO2022B)，7为信号发生器(美国Tektronix有限公司，AFG3022C)，8为待测样品(日本SIGMA KOKI，TFHSM-25.4C06-1064)，9、11、12、14、18、20为传输光纤(美国Nufern公司)，10为光纤隔离器(美国Thorlabs有限公司，IO-F-1050)，13为前端光纤耦合器(美国Thorlabs有限公司，TN1064R1F2A)，19为后端光纤耦合器(美国Thorlabs有限公司，TN1064R1F2A)。
激光光源用于为测量系统提供测量光源，激光光源出射的激光光束经过第一光纤的传输后进入光纤隔离器，光纤隔离器用于阻止背向传输光，光纤隔离器出射的激光光束经过第二光纤的传输后进入第一光纤耦合器中，第一光纤耦合器的输出光束经过第四光纤的传输后照射在待测样品的表面上，第二姿态调节机构用于调节入射激光的方位角，样品台用于放置待测样品，样品反射的激光光束经过第五光纤的传输后进入第二光纤耦合器中，第一姿态调节机构用于调节第五光纤的方位角，第二光纤耦合器的一路输出光经过第三光纤的传输后进入第一光纤耦合器中，第二光纤耦合器的另一路输出光经过第六光纤的传输后被光电探测器采集，示波器用于测量光电探测器输出的电压信号，信号发生器用于控制激光光源，同时为示波器提供触发信号。
在测量过程中，首先在光路中放置参考样品，其反射率为Rref，调节第一姿态调节机构和第二姿态调节机构，使激光经过样品的反射后在环形谐振腔中来回振荡，利用示波器测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，然后拟合得到衰荡时间因子τ0，其表达式为：
L为光纤环形谐振腔的长度，c为光速。
然后如图3所示，在光路中加入待测样品，再次利用示波器测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，然后拟合得到衰荡时间因子τ1，其表达式为：
根据公式(5)和(6)，即可计算出反射元件的反射率为：
利用上述光学元件高反射率的测量系统测量样品高反射率的方法，主要包括以下步骤：
①在样品台上放置参考样品，调节第一姿态调节机构16和第二姿态调节机构17，使激光经过样品的反射后在环形谐振腔中来回振荡，利用示波器测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，然后拟合得到衰荡时间因子τ0；
②在样品台上放置待测样品，再次利用示波器测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，拟合得到衰荡时间因子τ1；
③利用如下公式计算出待测样品的反射率为：
式中，L为光纤环形谐振腔的长度，c为光速。
实验表明，本发明的测量灵敏度比现有技术提高1000多倍，测量系统具有结构紧凑、布局灵活、抗干扰能力强、测量简便的特点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光学元件高反射率的测量系统，包括激光光源(1)、光电探测器(5)、示波器(6)、信号发生器(7)，其特征在于还有第一光纤(9)、光纤隔离器(10)、第二光纤(11)、第三光纤(12)、第一光纤耦合器(13)、第四光纤(14)、样品台(15)、第一姿态调节机构(16)、第二姿态调节机构(17)、第五光纤(18)、第二光纤耦合器(19)和第六光纤(20)，所述的样品台(15)供待测的高反射光学元件(8)设置，所述激光光源(1)的输出端通过所述第一光纤(9)与所述光纤隔离器(10)的输入端相连接，所述光纤隔离器(10)的输出端通过所述第二光纤(11)与所述第一光纤耦合器(13)的第一输入端相连，该第一光纤耦合器(13)输出的激光经过所述第四光纤(14)的传输后照射在所述的待测的高反射光学元件(8)上，所述的高反射光学元件(8)反射的激光经过所述第五光纤(18)的传输后进入所述第二光纤耦合器(19)的输入端，所述第二光纤耦合器(19)的第一输出端与所述第一光纤耦合器(13)的第二输入端相连接，所述的第二光纤耦合器(19)的第二输出端与所述的光电探测器(5)的输入端相连，所述的光电探测器(5)的输出端与所述的示波器(6)的第二输入端相连，所述的示波器(6)的第一输入端与所述的信号发生器(7)的第二输出端相连，所述的信号发生器(7)的第一输出端与所述的激光光源(1)的控制端相连，所述的第一光纤耦合器(13)、第四光纤(14)、第五光纤(18)、第二光纤耦合器(19)和第三光纤(12)构成光纤环形谐振腔。
2.根据权利要求1所述的光学元件高反射率的测量装置，其特征在于所述的第三光纤(12)的长度大于1000米。
3.利用权利要求1所述的光学元件高反射率测量系统对光学元件高反射率的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
①在样品台(15)上放置参考样品，参考样品的反射率为Rref，调节第一姿态调节机构(16)和第二姿态调节机构(17)，使激光经过样品的反射后在环形谐振腔中来回振荡，利用示波器(6)测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，然后拟合得到衰荡时间因子τ0；
②在样品台(15)上放置待测的高反射光学元件(8)，再次利用示波器(6)测量谐振腔输出电压的指数式衰荡曲线，拟合得到衰荡时间因子τ1；
③利用如下公式计算出待测的高反射光学元件(8)的反射率：
式中，L为光纤环形谐振腔的长度，c为光速。
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